大型钛合金曲面构件定位工装组件及加工方法与流程

1.本发明属于金属材料机械加工制造技术领域，具体涉及大型曲面构件机械加工成型方法。


背景技术：

2.我国是继美、法、俄、日之后，世界上第五个掌握大深度载人深潜技术的国家，未来深海工作是世界深海科研发展的主要方向。钛合金具有优异的综合性能和耐海水腐蚀性能，是最适合制造深海作业装备的金属材料之一。
3.钛合金厚壁外压、高压设备球形封头由于其成型精度要求高、最终球形容器外径、内径、壁厚精度要求高，且表面状态要求高，以满足设备在深海高压状态的使用需求。
4.钛合金化学活性高，热导性差，硬度大，加工过程中刀具温度急剧升高，造成刀具切削面磨损，且在加工过程中易与空气中活性介质反应，造成表面氧化变硬，加速刀具磨损或崩刃。鉴于以上因素以及大型钛合金半球构件在加工过程存在一定的形变，且曲面构件为空间结构，在机加工过程中基准定位难度大，工件容易发生颤动，从而影响加工精度。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以降低球体加工过程的形状变化、提高加工精度并可重复多次实现半球的装夹定位、实现半球精度加工的大型钛合金曲面构件定位工装组件。
6.为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
7.大型钛合金曲面构件定位工装组件，包括：
8.调整垫块，垫设于工件大口端部，用于调整工件姿态；
9.基准环，与工件大口端部可拆卸式连接；
10.内球面防颤装置，用于顶住工件内球面、防止工件颤动；
11.夹爪；
12.外球面防颤装置，用于顶住工件外球面、防止工件颤动；
13.顶拉调平装置，用于上顶或下拉基准环至水平；
14.限位块，用于工件小口端部的限位；
15.压紧环，用于压紧工件的小口端部。
16.作为优选的技术方案，所述内球面防颤装置包括内固定座，所述内固定座上安装有与工件内球面适配的内弧板，所述内弧板上安装有内防颤顶丝。
17.作为优选的技术方案，所述外球面防颤装置包括外固定座，所述外固定座上安装有与工件外球面适配的外弧板，所述外弧板上安装有外防颤顶丝。
18.本发明还提供了大型钛合金半球构件的加工方法，包括如下步骤：
19.s1、机械加工前对工件进行三维尺寸检测且去除内应力；
20.s2、以工件大口为基准，采用定位工装配合刻划工件小口水平基准、小口内径基准
和大口外径基准；
21.s3、以工件小口水平面作为基准，以小口内径、大口外径为基准找正，采用定位工装配合刻划工件大口水平基准，并在工件大口端面加工固定孔和定位孔；
22.s4、将基准环与工件大口端部固定并将工件大口朝下放置，用工件小口水平基准、小口内径基准、大口外径基准找正，车加工基准环外径和端面，作为后续加工基准；
23.s5、以基准环为加工基准，交替加工工件内外球面；所有球面见光后，拆除基准环，将工件自由放置以释放应力；
24.s6、重新安装基准环与工件，先进行定位销固定，无法安装时重新加工新定位孔进行定位，并按s4要求重新进行基准确定；单边留有2mm余量时，再次拆除基准环，将工件自由放置释放应力后，加工内外球面和小口口径至要求尺寸，并对小口加工坡口成型；
25.s7、配合使用定位工装，对工件大口余量进行完全切除并加工坡口成型。
26.作为优选的技术方案，步骤s1具体包括：
27.s11、工件进行整体应力消除，残余应力不大于150mpa；
28.s12、采用三维扫描、全站仪对工件外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握半球实际形状，为后续加工提供分析依据，上下口端留出余量。
29.作为优选的技术方案，步骤s2具体包括：
30.s21、以工件大口为基准，采用调整垫块调整工件姿态，在机床上对外形余量进行确认，确认外形余量满足加工要求后装夹；
31.s22、以小进刀量、少吃刀量加工小口端水平面、小口内径、大口外侧，加工出粗基准。
32.由于采用上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：
33.(1)通过大型钛合金曲面构件定位工装组件可重复多次实现对半球构体的装夹定位，实现半球精度加工。
34.(2)加工过程中首先通过基准环进行基准定位、交替加工工件内外球面见光后，拆除基准环，将工件自由放置释放应力，工件释放应力的阶段、次数，直接影响加工后的形状精度；基准环的再次安装，可以降低球体加工过程的形变程度，提高后续加工精度和关键形状尺寸精度，本发明采用上述方法可以实现大型钛合金半球内外表面加工，可以实现球壳半径误差不大于1mm、厚度偏差不大于0.8mm。
35.(3)在加工基准选择方面进行了创新，有效解决了加工过程的基准定位问题。
附图说明
36.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
37.图1是加工小口水平基准、小口内径基准和大口外径基准时的状态参考图；
38.图2是图1中i处的局部放大图；
39.图3是图1中ii处的局部放大图；
40.图4是加工工件大口端面至水平时的状态参考图；
41.图5是加工基准环外径和端面作为后续加工基准时的状态参考图；
42.图6是加工工件外球面时的状态参考图；
43.图7是加工工件内球面时的状态参考图；
44.图8是工件大口加工坡口成型后的状态参考图；
45.图9是图8中iii处的局部放大图。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
47.本实施例中工件1以上下开孔的半球构件为例，工件1为钛合金材质，半球直径大于5000mm，加工前厚度不低于90mm。
48.参考图1至图8，大型钛合金曲面构件定位工装组件，包括调整垫块2、基准环3、内球面防颤装置4、夹爪5、外球面防颤装置6、顶拉调平装置7、限位块8和压紧环9等。
49.其中，所述内球面防颤装置4包括内固定座41，所述内固定座41上安装有与工件内球面适配的内弧板42，所述内弧板42上安装有多个内防颤顶丝43。所述外球面防颤装置6包括外固定座61，所述外固定座61上安装有与工件外球面适配的外弧板62，所述外弧板62上安装有多个外防颤顶丝63。顶拉调平装置7包括支撑顶71和拉筋装置72。
50.大型钛合金半球构件的加工方法，包括如下步骤：
51.s1、机械加工前对工件1进行三维尺寸检测且去除内应力；具体的：
52.s11、工件进行整体应力消除，残余应力不大于150mpa；
53.s12、采用三维扫描、全站仪对工件外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握半球实际形状，为后续加工提供分析依据，上下口端留出余量；
54.s2、粗基准刻划
55.s21、参考图1，在工件1内径焊接临时工装固定，以工件大口为基准，采用调整垫块2调整工件姿态，在机床上对外形余量进行确认，确认外形余量满足加工要求后装夹；
56.s22、以小进刀量、少吃刀量加工小口端水平面、小口内径、大口外侧，加工出粗基准；参考图2和图3，即小口水平基准10、小口内径基准11和大口外径基准12；
57.s3、参考图4，将工件小口朝下进行安装，以工件小口水平面作为基准，以小口内径、大口外径为基准找正，采用调整垫块2调整工件姿态，用夹爪5固定工件小口端部进行中心孔定心，外部用外球面防颤装置6顶住工件外球面、防止工件颤动，在机床上对球内表面各点余量进行确认，确认余量满足加工要求后装夹，加工工件大口端面至水平，并在工件大口端面加工3个螺纹沉孔作为固定孔、同时加工3个销孔作为定位孔；
58.s4、参考图5，将基准环3用定位销与工件定位，并用沉头螺栓与工件紧固连接，将工件大口朝下放置，用工件小口水平基准10、小口内径基准11、大口外径基准12找正，内部用内球面防颤装置4顶住工件内球面、防止工件颤动，装夹后车加工基准环外径和端面，作为后续加工基准；
59.s5、参考图6和图7，以基准环3为加工基准，交替加工工件内外球面；所有球面见光后，拆除基准环3，将工件1自由放置48h，释放应力；
60.s6、重新安装基准环3与工件1，先进行定位销固定，不得强力，无法安装时重新加工新定位孔进行定位，并按s4要求重新进行基准确定；单边留有2mm余量时为精加工阶段，
此时再次拆除基准环，将工件自由放置释放应力后，加工内外球面和小口口径至要求尺寸，并对小口加工坡口成型；加工程序编制时，除非使用绝对尖刀，否则程序中应考虑所有选刀具的切屑刃r弧；
61.s7、参考图8和图9，配合使用定位工装，对工件大口余量进行完全切除并加工坡口成型。
62.如上，本发明通过大型钛合金曲面构件定位工装组件可重复多次实现对半球构体的装夹定位，实现半球精度加工。加工过程中通过基准环可以多次释放应力后重新进行基准定位，利于提高加工后的形状精度；基准环的再次安装，可以降低球体加工过程的形变程度，提高后续加工精度和关键形状尺寸精度，本发明采用上述方法可以实现大型钛合金半球内外表面加工，可以实现球壳半径误差不大于1mm、厚度偏差不大于0.8mm。
63.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。实施例中仅以半球构件开孔为例，不开孔半球内外表面加工，依旧在本发明保护范围内；任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.大型钛合金曲面构件定位工装组件，其特征在于，包括：调整垫块，垫设于工件大口端部，用于调整工件姿态；基准环，与工件大口端部可拆卸式连接；内球面防颤装置，用于顶住工件内球面、防止工件颤动；夹爪；外球面防颤装置，用于顶住工件外球面、防止工件颤动；顶拉调平装置，用于上顶或下拉基准环至水平；限位块，用于工件小口端部的限位；压紧环，用于压紧工件的小口端部。2.如权利要求1所述的大型钛合金曲面构件定位工装组件，其特征在于：所述内球面防颤装置包括内固定座，所述内固定座上安装有与工件内球面适配的内弧板，所述内弧板上安装有内防颤顶丝。3.如权利要求1所述的大型钛合金曲面构件定位工装组件，其特征在于：所述外球面防颤装置包括外固定座，所述外固定座上安装有与工件外球面适配的外弧板，所述外弧板上安装有外防颤顶丝。4.大型钛合金半球构件加工方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、机械加工前对工件进行三维尺寸检测且去除内应力；s2、以工件大口为基准，采用定位工装配合刻划工件小口水平基准、小口内径基准和大口外径基准；s3、以工件小口水平面作为基准，以小口内径、大口外径为基准找正，采用定位工装配合刻划工件大口水平基准，并在工件大口端面加工固定孔和定位孔；s4、将基准环与工件大口端部固定并将工件大口朝下放置，用工件小口水平基准、小口内径基准、大口外径基准找正，车加工基准环外径和端面，作为后续加工基准；s5、以基准环为加工基准，交替加工工件内外球面；所有球面见光后，拆除基准环，将工件自由放置以释放应力；s6、重新安装基准环与工件，先进行定位销固定，无法安装时重新加工新定位孔进行定位，并按s4要求重新进行基准确定；单边留有2mm余量时，再次拆除基准环，将工件自由放置释放应力后，加工内外球面和小口口径至要求尺寸，并对小口加工坡口成型；s7、配合使用定位工装，对工件大口余量进行完全切除并加工坡口成型。5.如权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤s1具体包括：s11、工件进行整体应力消除，残余应力不大于150mpa；s12、采用三维扫描、全站仪对工件外形尺寸采集，并对形状进行分析，掌握半球实际形状，为后续加工提供分析依据，上下口端留出余量。6.如权利要求4所述的加工方法，其特征在于：步骤s2具体包括：s21、以工件大口为基准，采用调整垫块调整工件姿态，在机床上对外形余量进行确认，确认外形余量满足加工要求后装夹；s22、以小进刀量、少吃刀量加工小口端水平面、小口内径、大口外侧，加工出粗基准。

技术总结
本发明属于金属材料机械加工技术领域，具体涉及一种大型钛合金曲面构件定位工装组件及加工方法。方法包括如下步骤：S1、机械加工前对工件进行三维尺寸检测且去除内应力；S2、刻划工件小口水平基准、小口内径基准和大口外径基准；S3、刻划工件大口水平基准；S4、车加工基准环外径和端面，作为后续加工基准；S5、以基准环为加工基准，交替加工工件内外球面；拆除基准环释放应力；S6、重新安装基准环与工件，并按S4要求重新进行基准确定；单边留有2mm余量时，再次拆除基准环，加工内外球面和小口口径至要求尺寸，并加工坡口成型。采用上述方法可以实现大型钛合金半球内外表面高精度加工。现大型钛合金半球内外表面高精度加工。现大型钛合金半球内外表面高精度加工。


技术研发人员：史从俊 刘鸿彦 于翔宇 李成全 赵红远 张争光 周果 王菲 杨英
受保护的技术使用者：南京宝色股份公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20